PDF-Datei

Anwendung der
Lasertechnologie
in der Mikrosystemtechnik
zur Herstellung
innovativer Produkte
Jens Hänel,
3D-Micromac AG
Meilensteine der Laserforschung
1917
1928
1960
1962
1964
1964
1966
1970
1975
1985
1985
1991
1991
1994
1997
Theoretische Grundlagen der stimulierten Emission
Experimenteller Nachweis der stimulierten Emission
Erster Festkörperlaser (Rubin-Laser)
Erste Beobachtung von Lasertätigkeit
CO2 Laser (mittleres Infrarot)
Neodym-YAG-Laser (nahes Infrarot)
Farbstofflaser
Halbleiterlaser: kontinuierlicher Betrieb bei Raumtemperatur
Edelgashalogen-Excimerlaser
Röntgenlaser (soft „x-ray“-Amplifier bei 15 nm)
Verstärkerkonzept für Femtosekunden-Pulse in Festkörpermaterialien
(CPA – chirped pulse amplification)
Halbleiterlaser mit blauer Emission
Direkte Erzeugung von Femtosekunden-Pulsen in Festkörpern
Scheibenlaserkonzept
Table top terrawatt Laser
Licht als Welle: (Interferenz, Beugung)
Durch Überlagerung von rotem,
grünem und blauem Licht entsteht
weißes Licht.
Geschieht die Überlagerung
phasenstarr, d.h. bleiben die
Positionen der Wellenberge starr
zueinander, so verstärken oder
verringern sich die Amplituden der
Wellen.
Man spricht von konstruktiver und
destruktiver Interferenz. Je mehr
Wellenlängen gezielt zur Interferenz
gebracht werden können, um so
komplexere Signale oder kürzere
Pulse lassen sich erzeugen.
→ Basis der optischen
Signalübertragung und der fstechnologie
Licht als Teilchen
Lichtelektrischer Effekt - nur von der
Wellenlänge abhängig (nicht von der Intensität)
Spaltexperiment zeigt den Dualismus:
Im Wellenbild breiten sich die Wellen hinter dem Spalt allseitig aus.
Licht fällt auch dorthin, wo eigentlich Schatten ist.
Bei Abschwächung des Lichtes, dass die Photonen einzeln die
Lichtquelle verlassen, könnte man jedes einzelne Photon auf dem
Bildschirm als einen kleinen Lichtblitz erkennen.
In der Summe vieler Photonen entsteht das gleiche Beugungsgitter wie im
Wellenbild .
Eigenschaften der Laserstrahlung
Laser = Light amplifiction by stimulated emission of radiation
Def.: Der Laser ist eine Lichtquelle, mit der kohärente elektromagnetische
Strahlung, wie in der Rundfunk- und Mikrowellentechnik, auch im
kurzwelligen besonders infraroten und optischen Spektralbereich erzeugt
werden kann.
hohe spektrale Energiedichte (Energiefluenz) bzw. Leistungsflussdichte bis
1019 W/m²
Monochromasie (spezifischer Wellenlänge)
Der Laserstrahl - das spezielle Licht
Prinzip eines Dreiniveaulasers
Resonator
Def.: Der Resonator ist eine
Spiegelanordnung in
der das erzeugte
Laserlicht hin und her
reflektiert wird.
Durch den Resonator wird ein Teil des Lichtes in das Lasermedium
zurück-reflektiert und verstärkt. Die neuen Photonen sind in Wellenlänge
und Phase exakt gleich, d.h. synchron schwingen = Koherenz, mit den
alten Photonen. → stimulierte Emission
Die wichtigsten Laserwellenlängen
Lasertypen
Laser
Laser
Gaslaser
Gaslaser
Festkörperlaser
Festkörperlaser
Halbleiterlaser
Halbleiterlaser
(Diodenlaser)
(Diodenlaser)
Farbstofflaser
Farbstofflaser
VIS
VIS
Rubinlaser
Rubinlaser
Grün - ZnSe
Grün - ZnSe
Cw-Farbstofflaser
Cw-Farbstofflaser
UV/EUV
UV/EUV
Nd:YAG
Nd:YAG
IR-GaAlAs
IR-GaAlAs
IR
IR
Nd:YVO4
Nd:YVO4
UV-GaN
UV-GaN
BlitzlampenBlitzlampenFarbstoffFarbstoffLaser
Laser
FIR
FIR
NanosekundenNanosekundenFarbstoff-Laser
Farbstoff-Laser
Bearbeitungsverfahren und Strahlführung
Fokusabtrag
Maskenprojektion
Bearbeitungsverfahren mit Scanner
Potentieller Einsatz der Lasertechnik in der MST
Mikrolithographie: Einsatz von Lasern in der Fotolithographie
(maskengebunden oder direktschreibend)
Materialabtrag: Ablation, laserunterstütztes Ätzen
Bohren und Schneiden
Materialabscheidung: Laserunterstützte CVD (chemical vapor deposition)
Mikrostereolithographie
Materialveränderung: Dotieren, Oxidieren, Nitrieren, Härten,
Rekristallisieren
Legieren, Ausheilen
Mikrolöten und Mikroschweißen
Vergleich zwischen ns- und fs-Pulsen
ns-Puls
fs-Puls
Vergleich zwischen ns- und fs- Laserpulsen
Starke „heat affect zone“ mit nsPulsen
Saubere Schnittkante mit fsPulsen
femtosecond
vs.
picosecond lasers
Pros: - almost completely
athermal ablation
- close to athermal
ablation
- suitable for industrial
applications
- high rep rates (< 500 kHz)
Cons: - low rep rates (< 6 kHz)
- beam profile suboptimal
- very high costs
- high costs
- restricted pulse energy @
high repetition rates
Bearbeitung optisch transparenter Materialien
Fields of Application
Medical applications
Semiconductor/MEMS processing
Textile industry
Security characteristics
Solar cell processing
157
Laser ablation - Smallest structures & precise
machining
Short wavelengths
Short pulses
Femtosecond laser
Application
in R&D
Picosecond laser
Application
in Industry
Medical Applications
Machining results of Excimer Laser Station
Structures for mixing
fluids in biomedical
application – Angle of
structure: 15,3°
Stripping of polymer
coated metal tubes for
medical applications
Micrographs of a polymer
stent made with mask
projection
Semiconductor/MEMS processing
Softmarks on
silicon,
Diameter 50µm
Cylindrical holes in
GaN (thickness 340
µm)‫‏‬
Drilling of hole arrays
in silicon, Diameter
125 µm
Textile industry
Machining results of a picosecond station
Spinnerets in stainless steel
- Dimension: 200 µm
Hole in stainless steel Hole in ceramic
- 600 µm diameter
- 1200 µm diameter
- 1000 µm thickness - 1000 µm thickness
Security characteristics
Machining results
Wafer
Marking
Adjustment
Sign
Customized
Logo
Data Matrix Code
Photovoltaic Applications
Application: Glass wafer machining
100 µm
Glas
marking
Cross section
through a glass
substrate
Hole array in glass
Cross section of a through
Hole in glass,
Diameter 700 µm hole sequence in a 500 µm
thick Pyrex glass substrate.
Photovoltaic Applications
Application: flexible CuInSe2 – solar cells
10 µm
source: Solarion GmbH
Machining with Picosecond laser source
Photovoltaic Applications
Drilling of Wafers
Edge quality of holes
in silicon
Holes in silicon,
Diameter 4 mm
Holes in silicon,
Diameter 150 µm
fs-laser Drilling of
III/IVsemiconductor
material, material
thickness: 340 µm
Photovoltaic Applications – Flexible Thin Film
Solar Cells
Micro processing from roll to roll (R2R)
Features
Winding in both directions
is possible
Online focus recalibration
Integration of different
kinds of laser sources due
to customers demands
Options like online QS
system with high speed
cameras
Micromachining of 1 mm Stainless Steel
Micromachining of 1 mm Stainless Steel
Femtosecond Laser Machining
Alumina
200 µm 20 µm
3D-Micromac - At a glance
51 employees in R&D, manufacturing and
service
Worldwide more then 140 industrial installations
Since 1994 experience in laser technology
Numerous worldwide patents
Sales partner for Micromachining products
in Japan
BEAMS Inc.
in China
CETC International Ltd.
in US
Photon Machines Inc.
Sales partner Ophthalmic, worldwide Laser
2000 GmbH
Sales partner microSINTERING technology,
worldwide EOS GmbH
Company Profile
Equipment and processing solutions for applications
in microsystem technologies.
Utilization of mask projection and focussed laser ablation.
Application of different laser sources including fs-, ps-, Excimer-,
DPSS- or CO2-lasers.
Handling of different materials.
Development and manufacturing of customized solutions.
Intended for automation technology, assembly and control
systems.
Business Activities
High End Laser Systems
Development and making of tailormade laser micromachining systems
Integration of facilities and machines
into production environments
Retrofitting and modification of
facilities
High End Laser Applications
Laser-based materials machining and
surface treatment
Development of technologies and
processes
Engineering services
High End Laser Tools
Beam-analysis software
microPROFILER
Positioning systems
Mini environments
Optical components
High End Laser Services
Production of prototypes and limited lots
Workstation measurement and
calibration
Economic viability assessments
Service and support
Excimer Laser Station
Materials
Biological materials, optical materials, sapphire,
thin films, photo resists, OTC films, polymers
Technology
Mask projection, 2D/3D fluting, exposing,
smoothening, insulation stripping
Applications
Medical stents made from plastics or metal,
diffractive optical elements, displays, DNS
analysis tools, UV/DUV lithography, Fibre Bragg
gratings, printer nozzles, thin-film annealing and
thin-film patterning
micro PULSE - Femtosecond Laser
Materials
Biological materials, quartz glass, composites, optical
materials, metals, silicon, III/V semiconductors, YBCO
Technology
2D/3D fluting, trimming of MEMS, materials
modification, surface modification, manufacturing of
waveguides
Applications
Biotechnology, diffractive optical elements,
microstructuring of ceramics and composites,
microchannels, structuring of carbide reversing plates,
superconductors, waveguides
microDRILL
Materials
silicon, germanium, other semiconductors,
dielectrics, polymers, stainless steel, titanium,
other metals
Technology
drilling, cutting, direct write, focus ablation,
micromachining
Applications
cutting/drilling of wafers, structuring of circuit
boards, machining of solar cells, IC adapters,
sieves
microSIGN
Materials
silicon, silicon carbide (SiC),
gallium arsenide (GaS), gallium nitride (GaN),
lithium aluminate (LiAlO2)
Technology
marking, micromachining, focus ablation
Applications
semiconductors, solar cells, displays
Picosecond Laser Station
Materials
Thin films, photovoltaics films(CIS), metals
(molybdenum, stainless steel), semiconductors
silicon, gallium arsenide (GaAs)‫‏‬
Technology
2D/3D fluting, cutting, direct write, drilling, tuning
of HF components
Applications
Automotive, hard-metal tools, cutting/drilling of
silicon wafers, high-resolution engraving of
displays and solar cells, medical implants,
OLED’s, spinnerets
microCODE - Laser Marking System
High performance multipurpose laser marking
systems
Laser source depends on customers
requirements
Suitable for visible and semi-visible marking
High quality marking
Very low operation costs
High speed marking and coding
Automatic and manual operation
Automatic laser power control for stable
engraving results
Photovoltaic Applications
Machine technology - microSIGN
Materials
silicon, silicon carbide (SiC), gallium
arsenide (GaS), gallium nitride (GaN),
lithium aluminate (LiAlO2)
Technology
marking, micromachining, focus ablation
Applications
semiconductors, solar cells, displays
Photovoltaic Applications
Machine technology
Materials
Thin films, photovoltaic films, metals,
semiconductors
Technology
2D/3D fluting, cutting, direct write, drilling, tuning
of HF components
Applications
Automotive, hard-metal tools, cutting/drilling of
silicon wafers, high-resolution engraving of
displays and solar cells, medical implants,
OLED’s, spinnerets